Design und Herstellung von Freiform – Strahlformern

Design und Herstellung von Freiform – Strahlformern
D. Michaelis, S. Kudaev, P. Schreiber und A. Bräuer
1.
Motivation / Aufgabenstellungen
2.
Geometrischer Designansatz
3.
Beispieldesigns
4.
Ausblick
1
Fraunhofer
Institut
Angewandte Optik
und Feinmechanik
Motivation
Primäroptik
Sekundäroptik
LED chip
=
+
Light distribution
Kollimation
Strahlformung
2
Fraunhofer
Institut
Angewandte Optik
und Feinmechanik
Motivation - Automobilsicherheitssysteme
Intensität a.u.
1.2
0.8
0.4
0
-20 -10
0
10
x in m
20
Intensität
5.00E-06
EU – Projekt: PreVent
http://europa.eu.int/information_society
0.00E+00
-3.0E+04
-1.0E+04
1.0E+04
3.0E+04
X [mm]
Strahlformung durch 5 Linsenarrays
3
Fraunhofer
Institut
Angewandte Optik
und Feinmechanik
Aufgabenstellung
optische Freiform → quasi beliebige Form
Freiformfläche
äußerst große Zahl zu optimierender Größen
Quelle
- inkohärent,
- bel. Abstrahlung
sehr große Zahl von Strahlen
konventionelles Raytracing versagt
Erstellung von Zusatzsoftware
Ausgangsverteilung
- bel. Intensitätsverteilung
4
Fraunhofer
Institut
Angewandte Optik
und Feinmechanik
Vorgehen
y
Quelle
ϕ
θ
B(θ,ϕ,x,y): Leistung pro Raumwinkel und Fläche
x
z
idealisierte Quellen
B(θ,ϕ)
anisotrope
Punktquelle
eindimensionale Quelle
zweidimensionale Quelle
B(θ,x) → Bθ (θ) Bx (x)
B(θ,ϕ,x,y) → BW (θ, ϕ) BO (x,y)
Θ
x
y
B(x,y)
kollimiert,
bel. Intensität
z
x
5
Fraunhofer
Institut
Angewandte Optik
und Feinmechanik
Geometrische Ansätze für idealisierte Quellen
Grundidee:
Reflektor = Zusammensetzung aus Teilen von „einfachen“ Flächen mit problemzugeschnittenen Eigenschaften
Punktquelle → Fernfeld
Paraboloid
Punktquelle → Nahfeld
Ellipsoid
2
Punktquelle im Fokus → koll. Licht
Kollimiertes Licht → Fernfeld
Ebene
1
Punktquelle im Fokus 1 →
Punktbild im Fokus 2
koll. Quell-Licht →
koll. reflektiertes Licht
6
Fraunhofer
Institut
Angewandte Optik
und Feinmechanik
Beispieldesign
Problem: anisotrope Punktquelle → Fernfeldverteilung : Verwendung von Rotationsparaboloide
Punktquelle im Fokus → koll. Licht
Rotationsparaboloide verschiedener Orientierung
Quelle
Quelle
Rotationsparaboloid
7
Fraunhofer
Institut
Angewandte Optik
und Feinmechanik
Orientierung
Beispieldesign:
Punktquelle → Fernfeld
Grundidee:
Reflektor = Zusammensetzung aus Teilen von „einfachen“ Flächen mit problemzugeschnittenen Eigenschaften
Punktquelle → Fernfeld: Verwendung von Paraboloiden
Schar von Paraboloiden
( unterschiedliche Orientierung
und Fokalabstand)
2
Fokalabstand → Visibility V:
→ Leistung
Orientierung → Richtung des refl. Lichts
V3
V2
V1
Pkt.-Quelle
1
Pout,3
Pout,2
3
8
Fraunhofer
Institut
Angewandte Optik
und Feinmechanik
Optimierungskonzept
• Vorgabe der Richtung des reflektierten Lichts im Fernfeld → Orientierung der Paraboloide
• Änderung des Fokalabstandes → Änderung der Intensitätsverteilung → Optimierung
V3
V2
Pout,3
V1
Pout,2
V3
V2
Pout,3
V1
Pout,2
9
Fraunhofer
Institut
Angewandte Optik
und Feinmechanik
Freiform - Reflektor
Generelle Eigenschaft der Reflektoren: Oberfläche der Schnittmenge aller Paraboloide
⇒ Reflektor ist zusammenhängend
( unendliche Anzahl von Paraboloiden: glatter Reflektor )
V3
V2
V1
⇒ Glättung des Reflektors notwendig
⇒ Reflektor = konvexe Fläche
⇒ kleinst mögliche Krümmung der Feinstruktur
10
Fraunhofer
Institut
Angewandte Optik
und Feinmechanik
Beispiel: IOF -Logo
45°zwischen Haupteinfallsrichtung und
Hauptreflexionsrichtung
Fernfeld (ZEMAX)
11
Fraunhofer
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und Feinmechanik
Freiform - Reflektor
Reflektor
Reflektor - Grobstruktur
Reflektor - Feinstruktur
Z
Z
0.64
0.62
0.6
0.58
0.56
0.54
0.52
0.15
0.1
0.05
-0.15
-0.1
0
-0.05
0
X
-0.05
0.05
-0.1
0.1
Y
-0.15
0.15
X
Rotationsellipsiod ⇒ Umlenkung der Hauptrichtungen
Y
Feinstruktur ≈ inv. Ausgangsverteilung
12
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Institut
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und Feinmechanik
Freiform - Reflektor
Konturbild der Feinstruktur
Reflektorgröße ~ 5 cm mit Grobstrukt. = Kugel
⇒ Höhen – Feinstruktur: +/- 100 µm
⇒ laterale Abtastung der Feinstruktur: ~ 120 µm
13
Fraunhofer
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und Feinmechanik
Freiform für endliche Quellausdehnung und Quellwinkelverteilung
• Quelle = Ensemble von anisotropen Punktquellen
• jede Punktquelle Bildverteilung
y
Quelle
x
• Summe aller Bildverteilungen = Gesamtverteilung
z
• Freiform = Ensemble von Facetten
• jede Facette → Leistungsbeitrag in verschiedene
Richtungen
• Vorteile: - kleinere Baulängen
- mehr Leistung
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und Feinmechanik
2D – Freiformen für lineare Quellen
Quelle
lineare Quelle:
Fernfeld
2D - Reflektor
B(θ,x) → Bθ (θ) Bx (x)
15
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2D – Reflektor
Ausgang
Eingang
Gaußverteilung
Quellgröße
1
≈
Quell - Freiform - Abstand 5
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und Feinmechanik
3D – Reflektor
Quell - Verteilung
x
Quellgröße
1
≈
Quell - Freiform - Abstand 8
Intensität
± 15°Gaußverteilung
Intensität
Intensität
z
End - Verteilung
Intensität
Quelle
Intensität
y
Soll - Verteilung
Winkel
Winkel
17
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und Feinmechanik
3D – Reflektor
Quell - Verteilung
Freiform
End - Verteilung
y
Feinstruktur =
Abweichung von Sphäre
x
Intensität
z
Supergauß mit Kreuz
Intensität
Quelle
∆Z
15°Gaußverteilung
Quellgröße
1
≈
Quell - Freiform - Abstand 9
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und Feinmechanik
Herstellung von optischen Freiformen
Z - Achse
Zfts (r, ϕ)
Freiform - Design
Beschreibung:
r
Z (r, ϕ) = Zrot (r) + Zfts (r, ϕ)
CNC - Controller
FTS - Controller
• Standard CNC
Programmierung der
Maschinen-Controller
• unabhängiges
System, r und ϕ als
Parameter nötig
• Überlagerung der
FTS-Bewegung in ZRichtung
• FTS-Bewegung C-Code oder BitmapFile
Spindel + Encoder ϕ
Freiform
Zrot (r)
ϕ
X – Achse r
Spiegel mit Mikrofacetten,
FTS-Turning
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Zusammenfassung
• Quellausdehnung klein gegenüber Quell-Freiformabstand
Erzeugung beliebiger Intensitätsverteilungen im Fern- und Nahfeld
• hinreichend kollimierte Quellstrahlung
Erzeugung beliebiger Intensitätsverteilungen im Fern- und Nahfeld
• lineare Quelle Erzeugung beliebiger Intensitätsverteilungen im Fernfeld
nächste Schritte:
- Freiformen für 3D – Quellen (Quellausdehnung + Winkelverteilung der Quellstrahlen)
- Kombination von Primäroptik mit Freiform-Sekundäroptik
- optische Freiform = Primäroptik + Sekundäroptik
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